Введение к работе
Актуальность темы Соединения AlGaN являются прямозонными полупроводниками с шириной запрещенной зоны, непрерывно варьируемой от 3.4 до 6.1 эВ, что позволяет им служить базовым материалом для светоизлучающих и лазерных диодов (СИД и ЛД), а также фотоприемных приборов, работающих в ультрафиолетовой (УФ) области спектра в диапазоне длин волн (X) от 360 до 210 нм. Твердотельные источники и приемники УФ излучения существенно превосходят по эффективности, габаритам и энергопотреблению традиционные газоразрядные приборы и начинают находить применение в системах УФ воздействия и мониторинга при решении задач материаловедения, медико-биологических исследований и обеспечения безопасности окружающей среды.
За последнее десятилетие в этой области наблюдается значительный прогресс, а спектральный диапазон лучших экспериментальных образцов УФ СИД на основе AlGaN гетероструктур (ГС), выпускаемых несколькими американскими и японскими фирмами, лежит в пределах длин волн 1=210-365 нм[1*-3*]. Однако, уровень выходной оптической мощности этих диодов (при Х<300 нм) на постоянном токе не превышает ~5 мВт при квантовой эффективности менее 1% и сроке службы не более нескольких сотен часов. В 2009 году фирмой Hamamatsu Photonics был продемонстрирован УФ-ЛД на основе ГС AlGaN с рекордно минимальной длиной волны излучения 336 нм [4*]. Получение меньших значений длин волн стимулированного излучения (вплоть до 214 нм) возможно лишь с помощью оптического возбуждения ГС или объемных слоев AlGaN при относительно высоких значениях пороговой плотности мощности >1 МВт/см [5*,6*]. Из сравнительного анализа описанных параметров следует, что они существенно уступают показателям приборов видимого диапазона на основе ГС InGaN. Это обусловлено, прежде всего, низким структурным совершенством AlxGai_xN слоев с высоким содержанием А1 (х>0.2) - при росте на стандартных с-А^Оз подложках типичные плотности прорастающих дислока-ций (ПД) в этом материале могут достигать уровня ~10 см" и выше, что более чем на порядок превышает типичные плотности дислокаций в GaN. Кроме того, отсутствие ярко выраженных эффектов локализации носителей в квантовораз-мерных ГС на основе AlGaN, наподобие тех, что реализуются в квантовых ямах (КЯ) на основе InGaN, приводит к относительно низкой эффективности излуча-тельной рекомбинации в них. И, наконец, с увеличением содержания А1 в слоях AlGaN их легирование примесями как р, так и n-типа становится все более сложной задачей, а концентрация свободных носителей обоих типов падает.
Одной из основных технологий получения ГС на основе AlGaN является молекулярно-пучковая эпитаксия с плазменной активацией азота (МПЭ ПА). К достоинствам этой технологии относятся возможность прецизионного контроля эпитаксиального роста и отсутствие паразитных газофазных реакций между потоками ростовых материалов, ведущих к формированию дефектов в слоях. Кроме того, присущие МПЭ ПА относительно низкие температуры подложки 7s<800oC при росте эпитаксиальных слоев AlGaN позволяют создавать наноге-тероструктуры с резкими интерфейсными границами за счет снижения эффектов поверхностной сегрегации, а отсутствие водородной атмосферы в ростовой камере исключает необходимость высокотемпературного постростового отжига для активации акцепторной примеси в слоях AlxGai_xN:Mg. Цель работы заключалась в проведении исследований кинетических и термодинамических особенностей МПЭ ПА широкозонных полупроводниковых соединений AlGaN и наногетероструктур на их основе, а также в комплексном исследовании их структурных, оптических и электрофизических свойств, направленных на разработку воспроизводимой технологии высокоэффективных источников спонтанного и стимулированного излучения УФ-диапазона (А,=210-350 нм).
Достижение цели работы потребовало решения следующих основных за-дач:
1. Исследование условий МПЭ ПА, определяющих полярность соединений
AlxGai_xN во всем диапазоне изменения их состава (х=0-1).
Исследование кинетики роста соединений AlxGai_xN(x=0-l) методом МПЭ ПА при различных полярностях слоев, температурах подложки, соотношениях потоков элементов третьей группы и активированного азота.
Исследование влияния упругих напряжений на кинетику роста ГС на основе AlxGai_xN(x=0-l) при различных стехиометрических условиях во всем диапазоне изменения состава.
Разработка методов получения с помощью низкотемпературной (Ts<800C) технологии МПЭ ПА атомарно-гладких слоев AlxGai_xN(0001) с точно контролируемым содержанием А1 и наноразмерных ГС с КЯ AlxGai_xN/AlyGai_yN, оптически активными в спектральном диапазоне длин волн 235-350 нм вплоть до комнатной температуры.
Разработка способов легирования при МПЭ ПА донорными (Si) и акцепторными (Mg) примесями твердых растворов AlxGai_xN(0001) в широком диапазоне составов для создания р-n диодов.
6. Разработка технологии роста КЯ AlxGai_xN/AlyGai_yN с заранее заданным спектром излучения и создание на их основе экспериментальных прототипов лазерных и светодиодных ГС, излучающих в УФ диапазоне длин волн 300-350нм.
Научная новизна работы
1. Впервые определены условия МПЭ ПА необходимые для роста слоев
AlGaN с различной полярностью во всем диапазоне состава на подложках с-
AI2O3 и темплейтах GaN.
Впервые для твердых растворов AlGaN обнаружено, что слои с металлической полярностью характеризуются более низкой тепловой стойкостью по сравнению с N-полярными слоями.
Впервые обнаружено и проанализировано влияние упругих напряжений сжатия на кинетику роста и морфологию поверхности слоев в напряженных ге-тероструктурах AlGaN/AIN/C-AI2O3 при различных стехиометрических условиях МПЭ ПА.
Впервые показано, что металл-обогащенные условия МПЭ ПА предпочтительней для роста слоев AlxGai_xN (х=0-1) с атомарно-гладкой морфологией поверхности и составом, точно контролируемым с помощью отношения калиброванных потоков атомов А1 и активированного азота: x=Fa/Fn. Обнаружен эффект снижения поверхностной подвижности адатомов при повышении содержания А1 в слоях AlGaN, для преодоления которого и обеспечения роста слоев с атомно-гладкой поверхностью необходимо применение существенно более сильно металл-обогащенных условий по сравнению с ростом бинарного GaN.
Впервые для МПЭ ПА разработаны технологии начальных стадий роста слоев AlGaN на подложках с-А1203 и буферные ГС, позволяющие снизить распространение прорастающих дислокаций (ПД) в верхние (активные) области ГС до минимальных концентраций винтовых, краевых и смешанных ПД 10 , 10 и 10 см" соответственно.
Впервые с помощью холловских измерений продемонстрировано достиже-ние концентрации свободных дырок/?=2-10 см" и 3-10 см" в слоях AlxGai_xN, легированных Mg при МПЭ ПА до концентрации 10 см" , при содержании А1 в слоях х=0.15 и 0.42, соответственно.
Впервые методом субмонослойной дискретной эпитаксии (СДЭ) получены ГС с множественными КЯ AlxGai.xN/AlyGai.yN, которые продемонстрировали относительно яркую ФЛ с минимальной ^=280 нм, электролюминесценцию в диапазоне ^=300-320 нм и лазерное излучение с ^=303 нм при комнатной тем-пературе и пороговой плотности мощности -800 кВт/см .
Практическая ценность работы
Продемонстрирована применимость разработанных технологических методов и квантоворазмерных ГС для создания экспериментальных прототипов светодиодов и лазеров с оптической накачкой, работающих в спектральной области глубокого УФ при комнатной температуре. На основе полученных результатов возможно проведение прикладных научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ.
Научные положения, выносимые на защиту
Технология МПЭ ПА позволяет выращивать слои AlxGai_xN как с металлической, так и с азотной полярностью во всем диапазоне составов при использовании буферных слоев A1N и GaN, соответственно. Слои AlxGai_xN, выращенные на плазменно-нитридизованных подложках с-А^Оз, имеют азотную полярность при содержании А1 менее 20 мол.% и металлическую полярность при большем содержании А1, что объясняется образованием в последнем случае, как и в случае буфера A1N, двойного адслоя А1, инвертирующего полярность.
Упругие напряжения сжатия, возникающие на начальной стадии роста слоев AlGaN на буферном слое A1N, облегчают разрыв связи Ga-N, приводя к дополнительному переиспарению азота. В случае азот-обогащенных условий роста (Fjjj/Fn=0.7^\) это обуславливает переход к металл-обогащенным условиям, снижение скорости роста и увеличение содержания А1 в слое до достижения им критической толщины, при которой напряжения релаксируют и параметры азот-обогащенного роста, характеризуемого неоднородным распределением А1 и шероховатой морфологией поверхности, восстанавливаются.
Для получения слоев AlGaN с атомарно-гладкой морфологией поверхности и однородным распределением А1 вдоль поверхности и по толщине слоя в условиях относительно низких температур МПЭ ПА (700±10С) необходимо использование металл-обогащенных условий роста с соотношением потоков Fh/Fn, линейно возрастающим в диапазоне 1.2^-1.8 за счет повышения потока Ga при увеличении x=Fa/Fn от 0 до 0.8. Это приводит к повышению поверхностной подвижности адатомов А1 и гомогенизации квази-жидкой фазы адатомов третьей группы на поверхности твердого раствора AlGaN.
Для снижения плотности ПД в ГС AlGaN, выращенных методом МПЭ ПА на подложках с-А1203, более чем на порядок величины (до уровня 10 см" для винтовых и менее 10 см" для краевых и смешанных) за счет развития наклона ПД с последующим их слиянием и аннигиляцией наиболее эффективным является использование комбинации последовательно выращенных низко- и высокотемпературного буферных слоев A1N, обладающих 3D и 2D морфологией со-
ответственно, и короткопериодной напряженной сверхрешетки (СР) AlN/AlGaN с периодом 10 нм, средним содержанием А1 90% и переменной стехиометрией роста слоев, составляющих СР.
5. Квантовые ямы AlxGai.xN/AlyGai.yN (у-х=0.1-Ю.2 при х=0.3-Ю.6), сформированные методом субмонослойной дискретной эпитаксии (СДЭ) в виде субмо-нослойных сверхрешеток GaN/AlyGai.yN при неизменных интенсивностях потоков Ga и А1, обладают интенсивной фотолюминесценцией в диапазоне длин волн ^=260-360 нм с энергией локализации носителей 200-500 мэВ и в качестве активной области лазерных ГС демонстрируют рекордно низкую пороговую плотность мощности оптической накачки -800 кВт/см при комнатной температуре на длине волны ^-300 нм.
Апробация работы
Материалы диссертационный работы докладывались и обсуждались на Всероссийских и международных конференциях и симпозиумах: 4-й Всероссийской Конференции "Нитриды галлия, индия и алюминия - структуры и приборы" (Санкт-Петербург, Россия, 2005), 14-м Европейском симпозиуме по мо-лекулярно-пучковой эпитаксии (Сьерра-Невада, Nevada, Гранада, Испания, 2007), 15-м Международном симпозиуме «Наноструктуры: физика и технология» (Новосибирск, Россия, 2007), 5-й Всероссийской конференции «Нитриды галлия, индия и алюминия - структуры и приборы» (Москва, Россия, 2007), 6-м Российско-Белорусском симпозиуме (Минск, Беларусь, 2007), VIII Российской конференции по физике полупроводников (Екатеринбург, Россия, 2007), 15-й Международной конференции по молекулярно-пучковой эпитаксии (Ванкувер, Канада, 2009), 8-й Международной конференции по нитридным полупроводникам (Дже-Джу, Корея, 2009), 7-й Всероссийской конференции «Нитриды галлия, индия и алюминия - структуры и приборы» (Москва, Россия, 2010), 18-м Международном симпозиуме «Наноструктуры: физика и технология» (Санкт-Петербург, Россия, 2010), 16-й Международной конференции по молекулярно-пучковой эпитаксии (Берлин, Германия, 2010).
Публикации
Перечень публикаций, раскрывающих основное содержание работы, содержит 12 печатных работ, в том числе 10 научных статей в рецензируемых журналах и 2 работы в материалах конференций.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Общий объем работы составляет 126 страниц, включая 40 рисунков, 3 таблицы и список цитируемой литературы из 69 наименований.
